Способы перегонки смесей

1. Однократное испарение;

2. Простая дистилляция;

3. Ректификация.

Схема однократного испарения.

Простая дистилляция.

Ректификация.

Флегма – та часть готового продукта, которая возвращается в колонну.

Конструкции самих тарелок могут быть колпачковые, сетчатые, насадочные и т.д.

В кубе-нагревателе находится чистый высококипящий компонент с небольшим содержанием летучего (1-2% спирта, остальное – вода). В куб-нагреватель подводится теплота в виде пара, вода при этом кипит (температура кипения 98⁰С). Из этих 2% спиртов образуются пары, содержащие 9% спирта. Пар поднимается вверх через паровой патрубок и ударяется в колпачок, который служит для направления пара через жидкость и барбатирует через жидкость, лежащую на тарелке. При этом температура жидкости на тарелке ниже температуры пара, который поступает на тарелку (95⁰С). Часть пара конденсируется при этой температуре (конденсируется в первую очередь нелетучий компонент, т.е. вода). Вода подмешивается к жидкости, лежащей на тарелке. При конденсации выделяется скрытая теплота парообразования. Потерь тепла в окружающую среду нет, поэтому всё тепло идёт на испарение жидкости с тарелки. Образующийся пар подмешивается к общему потоку. На тарелке флегма обогащается нелетучим компонентом, но за счёт перетока флегмы с верхней тарелки концентрация спирта на первой тарелке поддерживается на уровне 9%. Пар обогатился летучим компонентом и имеет концентрацию 17%.Температура пара 95⁰С. Далее пар поступает на вторую тарелку и происходит то же самое, а концентрация спирта на тарелке становится равной 17%, а в парах 25% и т.д. На последней тарелке температура кипения смеси 78⁰С, т.е. кипит чистый спирт.

1. В одном аппарате бинарная смесь разделяется на летучие и нелетучие компоненты;

2. Тепло конденсации полезно используется и идёт на парообразование.

Процессы в ректификационных установках и их изображение в диаграммах

Рассмотрим процессы тепломассообмена, происходящие в верхней части колонны; тарелки, которые имеют лишь по одному колпачку (в реальных колоннах их бывает до 30).

Флегма (жидкая бинарная смесь), параметры которой определяются (т.11) на фазовой диаграмме, имеет концентрацию по летучему компоненту (Х₁₁) и подаётся по патрубку (а) в колонну из дефлегматора. В колонне флегма вступает в тепломассообмен с паром, состояние которого определяется (т.8) – этот пар поступает из последней тарелки. В результате образуется влажный пар или смесь (состояние в (т.С₁)). Эта смесь сепарируется на сухой пар (т.10), который уходит в дефлегматор через патрубок (б), а флегма (т.9) опускается вниз по перепускному патрубку на 2-ую сверху тарелку, где вступает в тепломассообмен с паром (состояние в (т.6)). В результате образуется смесь (т.С₂). После разделения этой смеси флегма (т.7) и пар (т.8) и т.д.

Т.о. по мере опускания вниз содержание летучего компонента в флегме уменьшается, а пары, поднимающиеся по колонне вверх, вступающие в контакт с флегмой, обогащаются летучим компонентом. В этом и состоит принцип ректификации.

Определение числа тарелок при ректификации бинарных смесей

Графоаналитический метод, используемый для определения числа тарелок в ректификационной колонне, предусматривает ряд допущений:

1. Предполагается, что смесь вводится в колонну подогретой до температуры кипения жидкости на тарелке, на которую поступает смесь и за счёт тепла, выделяющегося при конденсации 1-ого моля пара испаряется 1 моль жидкости. При этом количество молей пара поднимающегося по колонне вверх и количество флегмы, стекающей вниз, остаётся постоянным для всех тарелок, изменяется лишь состав пара и флегмы;

2. Принимается, что конденсат в дефлегматоре имеет тот же состав, что и пар, поднимающийся с верхней тарелки колонны;

3. Теплота, необходимая для парообразования подводится к основанию колонны с помощью глухого пара так, что конденсат греющего пара не разжижает жидкости в нижней части колонны.

Для расчёта примем следующие обозначения:

X_n и X_m – молекулярное процентное содержание летучего компонента в жидкости на данной тарелке колонны в верхней части (X_n) и в нижней (X_m) (нумерация тарелок идёт сверху вниз);

Y_n и Y_m – молекулярное процентное содержание летучего компонента в парах, поднимающегося n-ой тарелки.

Должны быть заданы величины:

X_F и X_d – молекулярное процентное содержание летучего компонента в готовом продукте (X_d) и в исходной смеси (X_F);

R – число молей флегмы, поступающей в верхнюю часть колонны;

R^' – число молей флегмы, поступающей в нижнюю часть колонны;

W – количество кубового остатка в молях, т.е. то что удаляется из колонны;

V – число молей пара, выходящего из последней тарелки колонны.

Все параметры рассчитываются на 1 моль готового продукта.

Для упрощения расчётов необходимо составить схему колонны с указание всех материальных потоков.

Пар в количестве (V) с концентрацией (у₂) поступает со 2-ой тарелки на 1-ую. С 1-ой тарелки на 2-ую спускается флегма в количестве R с концентрацией (х).

Для верхней тарелки согласно схеме при отсутствии потерь можно записать уравнение материального баланса так:

(1), где

– по допущениям;

(2),

Откуда .

В общем случае для любой тарелки:

или – уравнение прямой линии, где выражение – уравнение рабочей линии для верхней части колонны.

Уравнение для нижней части колонны:

(4), где

, и .

,

Обозначив и , получаем

– уравнение прямой линии.

Линия NF – рабочая линия для верхней (укрепляющей) части колонны;

Линия FW – линия концентрации для нижней части колонны.

– теоретическое число тарелок;

– действительное число тарелок;

– КПД тарелки (можно принимать );

– средняя вязкость жидкости по колонне;

– относительная летучесть;

, где

и – абсолютная температура нелетучего и летучего компонентов;

;

Для спирта , для воды ;

– средневесовая концентрация летучего компонента по колонне;

.

При определении числа тарелок надо знать флегмавое число R. Если его изменять, то будет меняться положение рабочих линий. Если , отбор дистиллята, т.е. готового продукта не производится и рабочая линия NF совпадёт с диагональю, тогда говорят, что колонна работает сама на себя. Движущая сила процесса, определяемая отрезком будет максимальной.

С уменьшением R – уменьшается движущая сила процесса, а она определяется расстоянием между рабочей линией и равновесной линией. Дальнейшее уменьшение R ведёт к совпадению (т.F) с (т.F). Это положение рабочей линии соответствует минимальному значению R, т.е. обозначается . Рабочее значение: .

При : .